Литиево-полимерни батерии

Литиевополимерните (LiPo) батерии са презареждаеми литиево-йонни батерии с технология на твърд електролит, която ги прави по-тънки и по-леки от традиционните им аналози.

Тъй като могат да се зареждат с батерии, тези кондензатори са идеалното решение за мобилни телефони и друго оборудване, захранвано с батерии. Освен това любителите на хоби електрониката ги използват в дистанционно управляеми дронове.

Енергийна плътност

Измерването на енергийната плътност описва способността на батерията да съхранява равно количество електрически заряд в рамките на определена площ спрямо обема. Нейната стойност може да се изчисли, като се използва термодинамичната формула: e = DG / ma, където DG представлява промяната в енергията на Гибс на окислително-редукционната реакция, а ma представлява масата на всички активни вещества в клетката. Енергийната плътност служи като една от мерките за оценка на производителността и продължителността на живота на батерията; при избора на батерии за конкретни приложения обаче трябва да се вземат предвид и други съображения, като например стабилност на цикъла и възможност за скорост.

При литиевополимерните батерии се наблюдава значително подобрение на енергийната плътност благодарение на използването на твърди полимерни електролити, по-конкретно такива, които са направени от твърди полимери. Този подход предотвратява образуването на литиеви дендрити, като същевременно увеличава механичната якост на електродите. Освен това този електролит подобрява йонната си проводимост, което позволява по-бързи скорости на зареждане/разреждане.

Зареждането се осъществява чрез външна верига, която подава свръхнапрежение към батерията, при което електроните преминават от положителния към отрицателния електрод чрез интеркалация, а литиевите йони се движат между двата полюса на батерията. По този начин се осигурява химическият източник на енергия, който се съхранява като заряд в електродните материали.

Високото ниво на реактивност на лития изисква използването на неорганичен електролит, като етилен карбонат или пропилен карбонат с наличие на литиеви комплекси, за да се осигури безопасното функциониране на електродния материал, който изисква покритие с високопроводими слоеве за правилно функциониране.

Електролитите в твърдо състояние имат по-ниско съпротивление от течния етилен карбонат и могат да издържат на по-високи температури, което предоставя потенциал за значително увеличаване на енергийната плътност на литиевите батерии и в момента се проучва от няколко компании.

Батериите "метал-въздух" предлагат друго възможно решение, като използват метално фолио като анод и въздух като катод. Този тип батерии предлагат по-висока теоретична енергийна плътност, като същевременно са по-екологични от традиционните литиево-йонни клетки; по-бързо време за зареждане, по-дълъг живот и намален капацитет на цикличност, който потенциално би могъл да повреди клетките им, когато са подложени на екстремна употреба.

Плътност на мощността

Литиево-полимерните батерии са акумулаторни батерии, които използват твърди полимерни електролити вместо течни за по-добра енергийна плътност и гъвкавост. Повишената им енергийна плътност позволява да се използват в устройства с уникални форм-фактори, като дронове, радиоуправляеми модели и носими устройства, при които намаляването на теглото е задължително. Те често се срещат за захранване на тези джаджи.

Литиево-полимерните батерии обикновено имат енергийна плътност между 100 и 200 ватчаса на килограм, което играе решаваща роля при определянето на това колко електроенергия може да се генерира при дадени параметри на теглото и обема. С намаляването на плътността на енергията намалява и нейният отпечатък, което може да представлява предизвикателство при някои приложения.

Литиевополимерните батерии използват електролит, съставен от йоннопроводими твърди полимери, като полиетиленов оксид (PEO), поли(триметилен карбонат) с високо молекулно тегло (PTMC) и полипропиленов оксид (PPO). Освен това LiTFSI или Li-NMC често се добавят като солен разтвор без разтворител, за да се намали допълнително вискозитетът на течните електролитни разтвори.

Когато се активират, батериите работят чрез преместване на йони от анода към катода посредством ток, което създава електрохимична окислително-редукционна реакция, при която се освобождават електрони, които се отлагат върху катода и по този начин се редуцират в сравнение с първоначалното им състояние на окислен материал. Тъй като енергията от тези електрони се движи през проводниците във външни вериги, те могат да генерират електричество, което ги захранва.

Литиево-полимерните батерии предлагат по-голяма гъвкавост в сравнение с традиционните си литиево-йонни аналози, като се отличават с по-малки размери и по-гъвкава форма, като се вписват лесно в устройства с ограничено място за големи клетки - идеални за носими устройства и дронове, където пространството е ограничено.

Разработването на по-устойчиви и сигурни електролити за литиево-полимерни батерии е приоритетна област на изследване. За да постигнат тази цел, учените са изследвали неорганични пълнители, като литиев титанат и магнезиев силикат; тези пълнители помагат за втвърдяване на твърдите полимерни електролити, предотвратяват дендритния растеж на Li и подобряват цикличната стабилност на клетките от SEI филм.

Chargers

Литиево-полимерните батерии изискват зарядно устройство, което може да следи и контролира тока, напрежението, температурата и защитните схеми, за да ги предпази от презареждане или повреждане на вътрешните компоненти. Те могат да се използват в различни преносими електронни устройства, които се нуждаят от често зареждане; ефективните методи за зареждане ще позволят на тези устройства да достигнат пълния си потенциал с течение на времето.

Литиево-полимерните батерии са обект на негативно внимание поради съобщения за спонтанно възпламеняване, но тези съобщения често са преувеличени и пресилени. Обикновено за такива инциденти е отговорно прегряването, което води до избухване на химични реакции, които в крайна сметка предизвикват пожар - затова е жизненоважно зарядните устройства да не остават свързани по време на употреба, нито да оставят ключа си включен по време на зареждане. За безопасни практики за зареждане е задължително батерията да бъде изключена от електрическата мрежа по време на зареждане, като кабелът ѝ е правилно закрепен към контролера на ESC.

При зареждането на батериите литиевите йони мигрират от положителния към отрицателния електрод, като при това създават литиев оксид. Тази химическа реакция причинява корозия или "ръжда", а с натрупването ѝ се повишават нивата на вътрешно съпротивление, което води до по-високи изисквания за вътрешно съпротивление при работа на батерията.

Изследователите полагат усилия за подобряване на характеристиките на литиевополимерните батерии. Чрез използване на твърди полимерни електролити, които повишават проводимостта, изследователите са постигнали увеличаване на цикъла и скоростта, както и подобряване на повърхността на литиевия метал с помощта на нанотехнологии.

Ефективен начин за повишаване на производителността на литиево-полимерна батерия е използването на система за управление на топлината, като например електронен чип, който помага да се контролират скоростта на зареждане и напрежението, да се открива топлинното напрежение и да се избягва прегряването. С усъвършенстването на технологиите литиевополимерните батерии ще продължат да стават все по-ефективни; въпреки това тяхната безопасност все още не може да се сравнява с тази на литиево-йонните батерии.

Безопасност

Производителите са проектирали няколко защитни функции в литиево-полимерните батерии, за да предотвратят повредата им поради топлина. Например, те ограничават количеството на активния материал, за да постигнат равновесие между плътността на енергията и безопасността; включват множество защитни устройства в клетките; и имат електронна защитна верига, която следи клетките и автоматично се изключва, когато вътрешната температура стане твърде висока.

Друг метод, използван за контролиране на температурата, е системата за топлинно управление. Системата се състои от свързани помежду си термични подложки, които отвеждат топлината от отделните клетки, като същевременно ги охлаждат чрез обдухване с въздух, като по този начин предотвратяват прегряването и удължават живота на батерията.

Литиево-полимерните батерии могат да бъдат изключително безопасни, когато се използват правилно. Те не предизвикват пожари като течните си аналози и повредите, свързани с топлина, са сравнително редки. Все пак литиевите полимери остават чувствителни към външни източници на топлина и винаги трябва да се съхраняват на хладно място, далеч от пряка слънчева светлина или големи източници на топлина като нагреватели или печки.

За да се сведе до минимум опасността от пожар, литиевите батерии трябва да се съхраняват на хладно място, далеч от запалими предмети, с пожарогасител наблизо и да се зареждат редовно, ако планирате да съхранявате опаковката повече от три месеца.

Винаги използвайте зарядно устройство, предназначено специално за LiPo пакети, и преглеждайте внимателно настройките, включително броя на клетките и тока. Също така не допускайте метални предмети, които могат да доведат до късо съединение. Когато се използват в радиоуправляеми модели, силно се препоръчва да се използва Lipo Sack.

Никога не се опитвайте да "нагрявате" или да увеличавате напрежението над 4,2 V на клетка, за да подобрите производителността; тези устройства често твърдят обратното, но в действителност могат да увеличат риска от пожар или да повредят оборудването.